کنترل سرعت موتورهایی آسنکرون (القایی)

By
کنترل سرعت موتورهایی آسنکرون (القایی)

کنترل سرعت موتورهایی آسنکرون (القایی)

سرعت سنکرون در یک موتور القایی با تعداد قطب‌های موتور و بسامد جریان اعمال شده مشخص می‌شود. گشتاور با حاصلضرب لغزش روتور (دور الکتریکی منهای دور واقعی) در جریان تحریک استاتور معلوم می‌شود. قدرت موتور با تنظیم نسبت «ولت بر هرتز» اعمال شده به سیم‌پیچ‌های موتور تغییر داده می‌شود. عملیات در هر دو شرایط موتوری و بازتولیدی یکسان است. سرعت سنکرون تابعی است از بسامد اعمال شده و ممکن است حتی صفر شود. گشتاور بار کامل و اضافه‌بار را می‌توان در هر سرعتی با اعمال میزان مناسب بسامد، جریان و لغزش به دست آورد. گردی (انحنای) منحنی مشخصه لغزش-گشتاور در شکل ۲۰ به ازای هر طرح موتور شکل متفاوتی دارد.

برای کنترل یک موتور القایی باید بتوان میزان لغزش را پیش‌بینی کرده، محاسبه کرده و حتی در صورت لزوم با استفاده از شفت انکودر (Shaft Encoder) آن را اندازه‌گیری کرد و یا اجازه دهیم خود موتور این کار را بکند. برای تغییر بسامد ورودی از یک اینورتر (Inverter) الکتریکی استفاده می‌شود. مجموعه‌ای از رویه‌ها و روش‌هایی چون «ولت بر هرتز» (V/F)، کنترل برداری «حلقه بسته» و «حلقه باز» (بدون انکودر) برای کنترل جریان و گشتاور موتور مورد استفاده قرار می‌گیرند. کنترل «برداری» عمدتاً به این معنی است که الگوریتم‌های درونی اینورتر برای کنترل دقیق‌تر موتور باید موقعیت ولتاژهای روتور و استاتور، نیروی محرکه مغناطیسی و جریان را محاسبه کنند. کنترل تکرار‌پذیر موتور نیازمند دانش از مشخصه‌های کلیدی موتور است که باید پایدار بمانند. موتورهای «برداری» مدرن تحت شرایط بسیار گسترده دما و لغزش مشخصه‌هایی خطی و خوش‌رفتار خواهند داشت. طراحی‌های قدیمی‌تر موتور ممکن است در این حد با کنترل برداری دقیق سازگار نباشند.

اصول کنترل ماشین‌های AC با اینورتر

یک اینورتر (که در ایران به درایو معروف است) ارزان قیمت معمولی از ورودی ساده یکسوساز و گذرگاه DC میانی ولتاژ ثابت استفاده می‌کند تا جریان‌های اصلی از جریان موتور جداسازی شود. هر فاز موتور به صورت جداگانه به پایانه‌های + و – گذرگاه جریان مستقیم (DC Bus) وصل شده است. این اتصال به صورت مدولاسیون عرض پالس (PWM) صورت می‌گیرد تا متوسط ولتاژهای سه فاز اعمال شده به پایانه‌های موتور در هر توان یا بسامد دلخواه سینوسی باشد. از آن‌جایی که یکسوساز ساده نمی‌تواند توان را به سمت منبع اصلی بازگرداند، نوعی کلید «روشن-خاموش» در سیستم تعبیه می‌‌شود که به نام «جداساز ترمزی» خوانده می‌شود. در زمان ترمزگیری موتور این کلید توان بازتولید شده را به سوی یک مقاومت ترمزگیری پویا هدایت می‌کند تا به صورت گرما در آن تلف شود.

اصول کنترل با اینورتر
اصول کنترل با اینورتر

کنترل‌کننده‌های ساده اینورتر ویژگی‌های بنیادی خاصی از خود نشان می‌دهند که در زیر فهرست شده‌اند.

  •   راه‌اندازها باید با چندین نوع منابع توان اصلی سازگار باشند. تک فاز، سه فاز. ۵۰ یا ۶۰ هرتز.
  •   VVVF که به موتور خورانده می‌شود سرعت و گشتاور آن را کنترل می‌کند.
  •   ذخیره انرژی گذرگاه DC ورودی موتور را از کنترل موتور خروجی ایزوله می‌کند.
  •   سمت موتور می‌تواند رده kVA متفاوتی نسبت به توان اصلی داشته باشد.
  •   تبدیل نیروی واقعی به این معنی که کیلو وات خروجی = کیلو وات ورودی.
  •   موتور و اینورتر می‌توانند توان مکانیکی را به صورت توان الکتریکی به درون گذرگاه DC بازگردانند.
  •   ورودی یکسوساز ساده تنها می‌تواند توان را از یک جهت عبور دهد.

مزایا و معایب کنترل راه‌اندازی با اینورتر

مزایا معایب
–     سیستم تعمیر و نگهداری حداقی.

–     فراهم آوردن امکان کنترل سرعت متغیر موتور.

–     جریان و ولتاژ سینوسی مزدوج در موتور منجر به کنترل نرم‌تر می‌شود.

–     بازآرایی موتور و اینورتر ممکن است.

–     مستقل از منبع تغذیه در گذرگاه DC.

–     منبع تغذیه گذرگاه DC نسبت به اختلالات منبع تغذیه اصلی ایزوله است.

–     عملکرد داخلی پیچیده‌تر.

–     بالاتر بودن هزینه کلی اجزای موتور.

–     نیاز به ترمز حرکتی مجزا.

–     سوئیچینگ PWM منجر به بالا رفتن تداخل فرکانس رادیویی (RFI) می‌شود.

معادله‌های بنیادی یک موتور القایی آسنکرون AC

گشتاور ~ rpmلغزش × تحریک

موتورولتاژ ~ rpmسرعت × جریان + تحریک × امپدانس استاتور

rpmلغزش = rpmاستاتورالکتریک – rpmروتور

rpmاستاتورالکتریک = ۶۰ × اینورتربسامد / تعداد جفت قطب‌ها

تحریک ~ استاتورجریان – گشتاور × عامل توان

کارکرد موتور القایی با وجود سادگی ظاهری با توجه به مشخصه‌های برهم‌کنشی بسیاری که در آن دخیل هستند، مستلزم پیچیدگی‌هایی است. با اعمال مقادیر درست ولتاژ و فرکانس، موتور مشخصه‌های درونی‌اش (گشتاور، جریان، سرعت) را به صورت خودکار تنظیم می‌کند تا بر اساس معادله‌های بنیادی فوق در نقطه پایداری قرار گیرد.

با این همه ساده‌ترین راه‌اندازهای VVVF تنها می‌توانند ولتاژ و جریان اعمال شده به پایانه‌های موتور را تغییر دهند. برای کنترل دقیق گشتاور موتور و در نتیجه سرعت آن باید بتوان تغییرات مورد لزوم در ولتاژ و فرکانس را پیش‌بینی کرد و از این طریق گشتاور مورد لزوم برای کنترل سرعت را تولید کرد. برای آسانسورها این بخش بیشتر در زمانی اهمیت دارد که آسانسور در حال ایستادن در طبقات است. کوچک‌ترین خطا در تخمین لغزش موتور خطایی آشکار سرعت ایجاد می‌کند که در نتیجه باعث اشتباه در محل ایستادن کابین می‌شود.

  •   فناوری راه‌اندازی برداری

بخش توانی راه‌انداز برداری کاملاً مشابه بخش توانی راه‌انداز VVVF است. تفاوت اصلی آن است که راه‌انداز برداری الگوریتم پیچیده‌تری برای کنترل توان موتور به کار می‌برد. ترانسدیوسرهای کنونی باید بتوانند جریان واقعی موتور را گزارش دهند که آن هم در محدوده مشخه‌های دانسته موتور با دقت تنظیم می‌شود. وقتی داده‌های جریان را با پسخورد (Feedback) انکودر ترکیب کنیم که اطلاعات لغزش را برمی‌گرداند، گشتاور کامل موتور را می‌توان در هر سرعتی تولید کرد که می‌تواند حتی شامل RPM صفر مکانیکی هم باشد.

وقتی از یک راه‌انداز برداری (به همراه انکودر) استفاده می‌کنیم، کابین آسانسور می‌تواند به کف طبقه نزدیک شده، در سرعتی بسیار پایین پایدار بماند و تا زمانی که که ترمز درگیر شود کابین را در حالت پایدار در سطح مطلوب توقف ثابت نگاه دارد. علاوه بر این، راه‌اندازهای برداری را می‌توان هم با ماشین‌های مجهز به گیربکس و هم بدون گیربکس (Gearless) به کار برد. بسیار اوقات این راه‌اندازها در حالت حلقه‌باز (بدون انکودر) به کار می‌روند.

مقایسه کنترل‌های برداری حلقه‌بسته و V/F

کنترل V/F کنترل برداری
–     کنترل غیرمستقیم گشتاور

–     بسامد را تنظیم می‌کند، نه سرعت را

–     پسخورد تنها بر مقادیر الکتریکی ثابت جریان و گشتاور مؤثر است.

–     با بیشتر ماشین‌ها قابل استفاده است.

–     عمدتا از ترزیق DC به همراه ترمز مکانیکی برای توقف مطمئن استفاده می‌کند.

–     کنترل عالی گشتاور

–     سرعت را روی هر مقداری می‌توان تنظیم کرد.

–     پسخورد از انکودر موجود روی شفت (محور) موتور و اندازه‌گیری جریان‌های فاز حاصل می‌شود.

–     برای نتایج خوب نیازمند مشخصه‌های دانسته (و پایدار) موتور است.

–     کنترل برداری غالباً می‌تواند کنترل موقعیت مطمئن و مستقیم فراهم کند.

هر چند کارآیی این راه‌اندازها عموماً از کارآیی کنترل VVVF ساده بهتر است، اما این راه‌اندازها نمی‌توانند همان کنترل دقیق روی گشتاور یا سرعت نزدیک صفر راه‌اندازهای کنترل حلقه‌بسته برداری را فراهم کنند. علاوه بر این بیشتر راه‌اندازهای AC آسانسور از یک بانک مقاومت ترمزگیری پویا برای مصرف انرژی باز تولیدی اضافه به صورت هدر حرارتی استفاده می‌کنند. کنترل‌هایی دیگر برای بازتولید توان و کمک به جبران بازخوردهای ناشی از جمع اختلال هارمونیک (Total Harmonic Disorder یا TDH) هم موجود است.

مشخصه لغزش - گشتاور
مشخصه لغزش – گشتاور
  •   کنترل موتور سنکرون مغناطیس دایم

سرعت روتور یک موتور سنکرون مغناطیس دائم مستقیماً با فرکانس اعمال شده کنترل می‌شود. گشتاور با دور کردن روتور از موقعیت زاویه‌دار نیروهای مغناطیسی الکتریکی در استاتور تولید می‌شود. مدیریت قدرت موتور با تنظیم جریان استاتور صورت می‌گیرد که با تغییر ولتاژ اعمال شده به سیم‌پیچ‌ها تغییر داده می‌شود. همان طور که شکل ۲۳ نشان می‌دهد، عملکرد موتور در هر دو شرایط موتور و بازتولیدی همسان است. با اعمال جریان کافی، می‌توان گشتاورهای کامل و اضافه‌بار را در سرعت (بسامد) صفر هم به دست آورد.

مشخصه موتور سنکرون مغناطیس دائم

کنترل موتور سنکرون نیازمند توانایی تأمین جریان کافی برای ایجاد گشتاور مطلوب است. اما در این مورد باید دقت کرد جریان اضافه اعمال نشود، چرا که باعث گرم شدن بیش از حد موتور می‌شود. برای تغییر بسامد، تنظیم ولتاژ موتور و در نتیجه جریان آن، از یک اینورتر استفاده می‌شود. موقعیت زاویه‌ای استاتور عمدتاً با استفاده از رزولور (Resolver) اندازه‌گیری می‌شود. ماشین‌های مغناطیس دائم مدرن با مغناطیس‌های نیرومند ساخته می‌شوند که کاربرد آنها را به ماشین‌های آسانسورهای بدون گیربکس و با RPM پایین محدود می‌کند. این موضوع باعث می‌شود این ماشین‌ها طراحی صاف و دیسکی داشته باشند که به نوبه خود برای کاربردهای بدون موتورخانه (MRL) ایده‌آل است.

برخی موتورهای پله‌ای سروو را می‌توان نسخه‌های اولیه ماشین‌های مغناطیس دائم AC شمار آورد، که به خاطر وجود قطب مغناطیس دائم مشخص هم در روتور و هم در استاتور ممکن است در سرعت‌های پایین دچار «کاگ» (Cogging) و «گیر» شوند. موتورهای بدون جاروبک DC هم با ساختار مشابه ساخته می‌شوند و دچار همان مشکل قطب‌های مغناطیسی نمایان هستند. ماشین‌های مغناطیس دائم امروزی در عمل قطب مغناطیسی نمایان ندارند، در نتیجه دچار گیر نشده و برای کاربرد حرکت آرام نزدیک سرعت صفر ایده‌آل هستند؛ هر چند در عوض کنترل این موتورها ممکن است کمی دشوار باشد. برای ایجاد گشتاور و سرعت مناسب بدون نوسان محور موتور، باید زاویه چرخش میان قطب‌های مغناطیس دایمی روی روتور و قطب‌های ایجاد شده در اثر جریان درون سیم‌پیچ‌های استاتور دانسته بوده و قابل کنترل باشد. برای حصول گشتاور یکنواخت و مناسب در تمام سرعت‌ها استفاده از رزولور برای اندازه‌گیری موقعیت زاویه‌ای روتور و محاسبات پیچیده بردارمانند الزامی است. ساز و کارهای کنترل اندکی متفاوت هستند، اما مداربندی توان اینورتر و موتور در ذات با آن چه در ماشین‌های القایی آسنکرون استاندارد به کار می‌رود شباهت بسیاری دارد.

  •   مصرف توان

راه‌اندازهای AC امروزی اغلب از نظر الکتریکی بالاترین بازده بخش ساز و کار کنترل آسانسورها را دارند و حتی از فیلترهای EMC هم فراتر می‌روند. بازده راه‌انداز اغلب از ۹۴% بالاتر می‌رود. خود موتورهای AC در بار اسمی به طور معمول بین ۹۰ تا ۹۶ درصد بازده دارند. هر چند در حالت‌های دو سرعته معمولی و سیستم‌های راه‌انداز AC-VV، در طی وضعیت‌های کم بار چرخه کار (مثلاً کابین پر در حرکت رو به پایین یا کابین خالی در حرکت رو به بالا) که بار موتور سبک بوده و فاکتور توان ضعیف است، کارآیی پایین می‌آید.

وقتی برای راه‌اندازی به جای AC-VV از AC-VVVF استفاده می‌شود، می‌توان انتظار کاهش مصرف الکتریسیته را تا ۳۰% داشت. همچنین با اطمینان می‌توان گفت مصرف kWHr در راه‌اندازهای AC-VVVF معمولاً نصف سیستم‌های دو سرعته است. مزیت دیگر این است که ماشین خنک‌تر کار کرده و بازده بیشتری دارد. به خصوص در شرایطی که موتور در حالت ژنراتوری کار می‌کند که در این حالت معمولاً برای ترمزگیری بار نیازمند سیستم ترمزگیری تزریق DC هستیم. دلیل این امر آن است که سیستم‌های راه‌اندازی مدرن با ارایه شکل موج خروجی تقریباً سینوسی و گشتاور ثابت در گستره سرعتی وسیعی بر مشکلات پیشین ترمزگیری تزریق DC فایق آمده‌اند.

در نتیجه یکی از مزایای اصلی استفاده از راه‌انداز سرعت متغیر این است که برای تمام شرایط بار عملیاتی، کارآیی سیستم راه‌انداز معمولاً ۹۶ تا ۹۷ درصد بوده و فاکتور توان به سمت واحد میل می‌کند، در نتیجه مصرف kWHr کاهش می‌یابد که این امر باعث صرفه‌جویی در مصرف برق خواهد شد.

  •   اندازه‌کردن راه‌انداز

هر کاربرد آسانسوری نیازمند میزان مشخصی از توان (kW) پیک و پیوسته است تا بتواند بر بار شتاب وارد کرده و آن را بلند کند. انتخاب موتور، دنده‌بندی و ولتاژ عملیات می‌تواند جریان‌های پیک و پیوسته را مشخص کند که باید در اینورتر ایجاد شوند. هر چند راه‌اندازها را با kW آنها طبقه‌بندی می‌کنیم، اما آمپراژهای پیک و پیوسته معمولاً عوامل محدودکننده به شمار می‌آیند. به صورت اجمالی راه‌انداز انتخاب شده باید بتواند جریان‌های پیک و کاری لازم را برای سیستم آسانسور در محدوده رزرو اضافه باز I × t استاندارد خود فراهم کند و از این راه اطمینان حاصل شود که جریان کافی در بسامد سوییچینگ مطلوب فراهم شود. همچنین نباید جریان لازم برای جبران افت (Derate) را از نظر دور داشت که در موتورخانه‌های با دمای بالا ایجاد می‌شود.

معمولاً انتخاب راه‌اندازی که از حد نیاز بزرگ‌تر باشد مشکلی جز افزایش هزینه تجهیزات در بر ندارد و در شرایط خاص ممکن است ماشین با راه‌انداز سازگار نباشد. اما در برخی موارد وجود چنین شرایطی الزامی است. برای مثال برای اطمینان از کارکرد مطمئن ماشین در مدت طولانی لازم است قطعات توانی IGBT ماشین همواره در محدوده ظرفیت‌های طراحی شده برای آن کار کنند. این مورد در شرایطی اهمیت خاص پیدا می‌کند که ماشین مورد بحث از نوع سنکرون یا آسنکرون بدون گیربکس و بسامد کاری نامی عمدتاً کمتر از Hz 50 باشد. انتخاب راه‌اندازی که کوچک‌تر از حد نیاز باشد باعث ایجاد مشکلاتی در مبحث قابلیت اطمینان سیستم می‌شود. عدم توانایی در حصول کیفیت مطلوب کارآیی راه‌اندازی، یا بالابردن بار یا شتاب‌دهی یا شتاب‌گیری بار از جمله مشکلات ممکن است. برای حصول عملکرد قابل اطمینان از ماشین الزامی است که همواره دستورالعمل کاری سازنده دنبال شود.

بهتر است هر جا ممکن باشد، به برگه مشخصات موتور مراجعه کرد تا ولتاژ، بسامد، RPM بار کامل و جریان بار کامل مطلوب موتور مشخص شود. این کار شاید درباره موتورهای قدیمی دشوار یا ناممکن باشد، چرا که ممکن است برگه مشخصات نامعتبر، کثیف، آسیب‌دیده باشد و یا گم شده باشد. دانستن مقادیر دقیق جریان بار کامل، بسامد و RPM بسیار اهمیت دارد. برای اندازه‌کردن صحیح راه‌انداز و محاسبه لغزش موتور، دانستن میزان جریان بار کامل موتور، ولتاژ و دور بر دقیقه موتور در کاربردهای موجود پیش از انتخاب اندازه اینورتر مفید است.

علاوه بر این لغزش موتور یکی از پارامترهای مهم موتور است. راه‌اندازهای برداری (هم حلقه بسته و هم حلقه باز) برای استفاده در کنار موتورهای کم لغزش طراحی شده‌اند. لغزشی «کم» عمدتاً به مقادیر کمتر از ۵% اطلاق می‌شود. موتور لغزش بالا (بالای ۵%) معمولاً در کنار کنترل‌های حلقه باز (بدون انکودر) به کار برده می‌شوند. تنظیم کردن راه‌اندازهای برداری حلقه باز در کنار موتورهای لغزش بالای قدیمی اندکی دشوارتر خواهد بود. زیرا تعدیل جریان در این حالت اهمیت بیشتری می‌یابد که روتور موتور مقاومت بالایی دارد. در چنین شرایطی باید به راهنمای محیط عملیاتی سازنده راه‌انداز رجوع کرد.